Анатолий Дружинин - Цилиндропоршневая группа двигателей и компрессоров. 100% инновационных элементов ЦПГ

Любая деталь характеризуется геометрической формой, геометрическими параметрами и физико-механическими свойствами материала, из которого она изготавливается. В настоящее время используются всего две геометрические формы компрессионных колец : прямоугольная и трапециевидная. Как уже было представлено выше, обе эти формы применяются на полном «законном» основании, так как, в свое время, на них были разработаны соответствующие ГОСТы, которые современные разработчики «корректируют» по своему усмотрению. Выбирая ту или иную геометрическую форму компрессионного кольца, разработчик должен найти серьезные обоснования установленной конструкции, так как различия в форме кольца накладывают определенные условия на работу поршневого уплотнения и двигателя в целом.

Наиболее распространенной является классическая, прямоугольная форма кольца, самая простая и дешевая в изготовлении и эксплуатации, применяется на всех видах двигателей внутреннего сгорания, а также поршневых компрессоров и поршневых насосов. Компрессионные кольца прямоугольной формы характеризуются тремя основными геометрическими параметрами : наружным диаметром, внутренним диаметром и высотой кольца. Кроме того, на рабочем чертеже указывается очень важный размер зазора в замке, различные фаски и галтели, а также необходимые технические условия, которые должны выполняться в технологическом процессе изготовления кольца и в процессе его испытания.

Если к форме прямоугольных компрессионных колец, как показывает практика, пока особых претензий не имеется, то к компрессионным кольцам трапециевидной формы, несмотря на многолетнюю практику их эксплуатации, есть серьезные вопросы.

В учебной литературе по этому поводу есть следующее замечание: «С повышением уровня форсирования хорошо зарекомендовали себя трапециевидные кольца, которые менее склонны к закоксовыванию по сравнению с прямоугольными кольцами» [3]. Достаточно спорный вывод. Если «меньшая склонность» к закоксовыванию не совсем очевидный тезис, то сама форма кольца, в том виде, как она представлена в ГОСТе, уже вызывает большие сомнения в целесообразности ее использования. Многолетняя практика применения таких колец была бы хорошим аргументом в их пользу, если бы основные характеристики двигателя, его КПД и ресурс стали бы от этого лучше. Но, к сожалению КПД двигателя недопустимо низкий, а к экологии его еще больше претензий.

Поэтому, прежде чем вводить, в свое время, в практику двигателестроения трапециевидные поршневые кольца, надо было более внимательно ознакомиться с положительными и отрицательными последствиями принимаемого архиважного решения, принципиально влияющего на работу поршневых колец, и о которых предупреждал инициатор предлагаемых «новаций» [8]. Очевидно, пришло время разобраться в самой сути этой проблемы.

В первоисточнике термины «трапециевидные поршневые кольца» (ГОСТ Р 53843—2010) или, как было изначально «трапецеидальные поршневые кольца» (ГОСТ 621—87) имели более доходчивое название: «Клинообразные кольца (кольца с конусными торцовыми поверхностями)» [8, стр. 444]. Причем выдано это под заманчивым для разработчиков предлогом: «Кольца с пониженной склонностью к пригоранию в канавках поршня». Кому из главных и не очень главных конструкторов не захочется применить столь соблазнительную находку? Рассматривая «Скручивающиеся (торсионные) поршневые кольца», ученый относит к ним не только «клинообразные» кольца, но и другие виды колец, которые «имеют на внутренней поверхности в верхней ее части приблизительно прямоугольную выточку (уступ) или скос» (там же, стр. 439). Ни много, ни мало, и далее: «Кольца такой формы применяются для всех диаметров, которые встречаются в двигателях внутреннего сгорания». В большинстве конструкций отечественных ДВС можно увидеть подобную «выточку», «скос», или фаску, как это представлено в наших ГОСТах. В связи с этим вспоминаются простые компрессионные кольца прямоугольного профиля без каких-либо «выточек» и «фасок» на обоих торцах, без твердых покрытий рабочих поверхностей. Автор не помнит, чтобы в то время были особые претензии к компрессионным кольцам.

Из объяснения классика становится понятным, что «скручивающиеся» кольца получаются в результате того, что «…главные оси инерции образовавшегося (после выточки) несимметричного сечения кольца становятся не параллельными (и соответственно), неперпендикулярными к образующей рабочей поверхности, т. е. располагаются наклонно.